變頻器在車床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。本文介紹臺達(dá)M系列變頻器在車床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一、引言

數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸是車床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量有著重要的作用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)。通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。由于變頻器的高性價(jià)比，所以變頻器在車床上使用非常普遍。臺達(dá)M系列變頻器以其獨(dú)特的性能和優(yōu)越的性價(jià)比，在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用方面迅速崛起，已經(jīng)成為目前市場上一支強(qiáng)大的生力軍。

二、臺達(dá)M系列變頻器性能簡介

M系列變頻器能滿足數(shù)控機(jī)床對主傳動系統(tǒng)無級變速的需求，其主要特點(diǎn)是：體積小，屬于“迷你”型產(chǎn)品，占用控制柜空間較小；控制方式為正弦波SPWM（提供速度反饋矢量控制），控制性能較VF控制方式有很大改善，特別是在低速轉(zhuǎn)矩上滿足機(jī)床主軸的需求，5HZ時(shí)起動轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到150%以上；載波頻率范圍0-15kHz，噪音小；提供標(biāo)準(zhǔn)的0-10V模擬量接口（輸入阻抗47Kohm，輸出阻抗250Kohm），能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強(qiáng)；過負(fù)載能力強(qiáng)，150%以上額定輸出電流超過一分鐘；提供多功能的輸出端子信號，例如零速信號，運(yùn)轉(zhuǎn)中信號，速度到達(dá)信號，故障指示，滿足系統(tǒng)對于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控；自動轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，滿足機(jī)床主軸在低速情況下的加工需求；提供三組異常紀(jì)錄，供維修人員從側(cè)面了解機(jī)床主軸實(shí)際的運(yùn)行狀況；電機(jī)參數(shù)自動整定功能，在線識別電機(jī)參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。

三、車床主軸控制系統(tǒng)

車床主軸控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)接線圖如圖1所示。選配電機(jī)為3.0KW/50Hz/380V，選用變頻器型號為VFD037M43，制動電阻400W/150ohm。

圖1 控制系統(tǒng)接線圖

變頻器AVI/GND端子給數(shù)控系統(tǒng)提供速度模擬量，AVI接數(shù)控系統(tǒng)模擬量接口正信號，GND接負(fù)信號，信號為0-10V模擬電壓信號，控制主軸轉(zhuǎn)速。M0/M1/GND為變頻器的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號端子，通常由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號FWD或者反轉(zhuǎn)REV來驅(qū)動中間繼電器，中間繼電器的常開接點(diǎn)接入變頻器M0/GND或者M(jìn)1/GND，從而控制車床主軸的正反轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試

在參數(shù)調(diào)整過程中，應(yīng)當(dāng)注意：P00參數(shù)，選擇主頻率輸入，設(shè)置為模擬信號0-10V輸入（1）；P01參數(shù)，運(yùn)轉(zhuǎn)信號，設(shè)置為外部端子信號控制（2）；P03，最高操作頻率選擇，對應(yīng)于模擬信號10V輸入時(shí)變頻器的輸出頻率，由于在0-3500rpm范圍內(nèi)調(diào)速，考慮機(jī)械減速比，該此參數(shù)可設(shè)置為184HZ；P04和P05按照電機(jī)銘牌設(shè)置，P04=50Hz，P05=380V；P10和P11為加速時(shí)間和減速時(shí)間，根據(jù)客戶的要求，P10=5S，P11=5S；P105為控制方式的選擇，選擇矢量控制，P105=1。

特別需要注意的是，由于矢量控制需要提供電機(jī)參數(shù)（阻抗），變頻器提供電機(jī)參數(shù)自整定功能P103，選擇P103=2，通過面板運(yùn)行鍵，變頻器會自動運(yùn)行。自動運(yùn)行過程中，除了計(jì)算出電機(jī)參數(shù)以外，還能夠檢測出空載電流，這幾個(gè)參數(shù)可使矢量控制表現(xiàn)出較高的性能，其這個(gè)過程會持續(xù)十幾秒鐘時(shí)間。

四、測試與運(yùn)行

系統(tǒng)實(shí)際測試結(jié)果如表1和表2所示：

表1 空載電流測試結(jié)果

表2 負(fù)載電流測試結(jié)果

從表1和表2可以看出在恒轉(zhuǎn)矩輸出的頻率段（0-50Hz），矢量控制的空載電流幾乎只有VF控制的一半，負(fù)載時(shí)電流也比VF小一些；而且負(fù)載切削時(shí)，VF控制在初期有很明顯的速度下降，而且空載速度和負(fù)載速度有比較大的差值。而相對于矢量控制，主軸轉(zhuǎn)速初期雖然也會有下降，但是下降值較小，并且速度會很快回升，最終空載速度和負(fù)載速度相差不是很明顯。經(jīng)過上面的調(diào)試，與VF控制比較，性能有了很大的改善，無論從空載電流，低速力矩，還是速度的變化，效果都是非常明顯的，完全能夠滿足數(shù)控機(jī)床的需求。投入運(yùn)行后，使用效果令人滿意，說明臺達(dá)M系列變頻器在車床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。